Kovový titan získaný ze surové rudy se pro svůj porézní a houbovitý vzhled nazývá houbovitý titan. Titan je jako chemický prvek velmi hojný. Mezi nejhojnějšími kovovými prvky v zemské kůře je titan na čtvrtém místě (po Al, Fe a Mg). Prvním minerálem používaným k výrobě titanu je rutil (TiO2) nebo ilmenit (FeTiO3), příprava kovového titanu z těchto rudných minerálů je rozdělena do následujících 5 různých kroků či postupů, a to:
(1) Minerály jsou chlorovány za vzniku TiCl4;
(2) destilační čištění TiCl;
(3) Redukce TiCl4 za vzniku kovového titanu [Krollův proces];
(4) Odstraňte vedlejší produkty redukčního procesu za účelem čištění kovového titanu (houbovitý titan);
(5) Drcení a třídění kovového titanu za účelem získání produktů vhodných pro další krok komerčního tavení čistého titanu (CP titan) a titanových slitin.
Chlorační proces nevyžaduje vysokou čistotu rutilu. Pokud se místo rutilu použije ilmenit, je surovinou titanová struska bohatá na TiO2, která je vedlejším produktem tavení ilmenitu s uhlíkem v elektrické peci na výrobu železa. Chlorační reakce probíhá ve varné peci obsahující TiO2, nečistoty a uhlík (koks), které vstupují do chlorátoru spolu s rutilem, viz obrázek 3.1. Při kontaktu s uhlíkem jsou reakčními produkty chlorid kovu (MClx), CO2, CO a plynný TiCl4 (bod varu TiCl4 je 136 stupňů C), tyto reakční produkty jsou vypouštěny z horního potrubí reaktoru a přímo vstupují do frakcionace. jednotka (viz obrázek 3.2).
Základní vzorec chlorační reakce je následující:
Ti02 plus 2Cl2 plus C→TiCl4 plus CO2
a
Ti02 plus 2Cl2 plus 2C->TiCl4 plus 2CO
Druhým krokem ve výrobním procesu je krok destilace, protože primární TiCl4 z kroku chlorace je třeba dále čistit. Čištění se provádí frakční destilací TiCl4, jak je znázorněno na obrázku 3.2, který ukazuje dvoustupňový destilační proces čištění. Prvním krokem je odstranění nízkovroucích nečistot, jako je CO a CO2, a druhým krokem je odstranění vysokovroucích nečistot, jako je SiCl4 a SnCl4. Vyčištěný TiC4 byl až do použití skladován pod ochranou inertního plynu.
Dalším krokem ve výrobním procesu je redukce TiCl4, proces Kroll. Vyčištěný TiCl4 se přidá do reaktoru naplněného kovovým hořčíkem a naplněného inertním plynem. Při zahřátí na 800 ~ 850 stupňů dochází k následující obecné redukční reakci:
TiCl4 plus 2Mg->Ti plus 2MgCl2
Reakce je ve skutečnosti dokončena následujícími dvěma kroky:
TiCl4 plus Mg->TiCl2 plus MgCl2
následován
TiCl2 plus Mg —>Ti plus MgCl2
Schéma Krollova redukčního reaktoru je znázorněno na obrázku 3.3. Redukční reaktor vlevo je spojen s vakuovým destilátorem vpravo. Redukční reakci poprvé studoval Kroll koncem 30. let 20. století a proces redukce TiCl4 pomocí Mg se dodnes nazývá Krollův proces. Konečný produkt kovový titan redukovaný výše uvedeným reakčním vzorcem je sám o sobě docela čistý, ale čistý kovový titan se smísí s MgCl2. S postupem Krollova redukčního procesu se většina MgCl2 kontinuálně odstraňuje, ale existují určitá zbytková množství, jejich odstranění bude diskutováno v následném stupni čištění titanového kovu.
Protože redukční reakce je exotermická reakce, rychlost přidávání TiCl4 do reaktoru obsahujícího Mg by měla být pod regulovatelnou teplotou, což je nezbytné pro zabránění vzniku hustých pevných reaktantů a zabránění těkání jiných produktů. Produktem této reakce je směs kovového titanu a MgCl2, nazývaná „houbovitý titanový blok“, který je produktem Krollova procesu.
Již v roce 1910 Hunter potvrdil, že TiCl4 lze redukovat roztaveným Na a tento způsob přípravy houbovitého titanu se nazývá Hunterova metoda. V letech 1960 až 1995 bylo touto metodou vyrobeno velké množství houbovitého titanu. V současné době neexistují továrny na velkovýrobu titanové houby touto metodou především proto, že použití hořčíku jako redukčního činidla je z ekonomického hlediska atraktivnější než použití sodíku.
Dalším krokem ve výrobním procesu je čištění kovového titanu, to znamená odstranění zbytkového MgCl2 z houbovitého titanového bloku. MgCl2 lze oddělit jednou z následujících metod: kyselé loužení, proplachování inertním plynem nebo vakuová destilace. První metoda využívá preferenční rozpustnost MgCl2 v kyselých roztocích a MgCl2 lze z fragmentované titanové houby odstranit separačním louhováním, které se již příliš nepoužívá. Jiné metody mají výhodu odstranění MgCl přímo v Krollově reaktoru. Tyto metody využívají výhody vysokého tlaku par MgCl k selektivnímu odstranění MgCl odpařováním s následnou kondenzací za účelem získání Mg a Cl z houbovitého titanu a pravidlem inertního plynu je použití argonu jako nosiče pro transport par MgCl2.
Obrázek 3.3 je schematický diagram procesu vakuové destilace (VDP). Při tomto procesu se houbovitý titanový blok zahřívá ve vakuu v Krollově reaktoru vlevo. V této době jsou těkavý MgCl2 a přebytek kovového Mg způsobeny tlakem par a kondenzují v jiné nádobě (viz pravá nádoba na obrázku 3.3), která po čerstvém přidání Mg slouží jako Krollův reaktor pro další redukční období, zatímco nádoba s titanovým houbovým blokem vlevo na obrázku 3.3 je nahrazena prázdnou nádrží, což je semikontinuální proces s ekonomickými výhodami. Ze tří procesů čištění titanové houby má blok titanové houby ošetřený procesem vakuové destilace (VDP) nejnižší obsah těkavých látek. V důsledku přenosu hmoty v reaktoru pod procesem vakuové destilace (VDP) při vysoké teplotě (700~850 stupňů), to znamená, že titanová houba skutečně absorbuje malé množství Fe a Ni z reaktoru z nerezové oceli. Mezi superslitinami je Ni zvláště nežádoucí, protože obsah Ni nad limit snižuje jeho pevnost při tečení, což platí také při slinování houbovitých titanových bloků.
V obou procesech (proplachování inertním plynem a VDP) se Mg a Cl2 získávají a recyklují. V současné době výroba titanové houby redukcí Mg dosáhla v podstatě šaržové výroby v uzavřené smyčce, je však nutné mezi šaržemi "přimíchat" přiměřené množství Mg a Cl2.
Posledním krokem ve výrobním procesu je drcení a třídění titanové houby. Po odstranění přebytku Mg a MgCl2 se objemná titanová houba rozbila na granulovaný kovový titan. Po rozdrcení a třídění se hrubší třídy titanové houby stříhají, aby se dále zmenšila jejich velikost. Operace drcení a stříhání se provádějí ve vzduchu, ale je třeba dávat pozor, protože titan je potenciálně samozápalná látka a jakýkoli zdroj vznícení, ke kterému během operace dojde, vytvoří oblasti bohaté na dusík a kontaminuje titanovou houbu, což má za následek následné tavení. vady. Vyšší provozní teplota procesu VDP ztěžuje segmentaci bloku titanové houby. Pokud neexistuje zvláštní požadavek, nebudou výrobci titanové houby pokračovat ve výrobě produktů se skutečnou průměrnou velikostí částic menší než 3~5 cm, což nejen eliminuje provozní náklady na další drcení a stříhání, ale také zabraňuje riziku požáru. v titanové houbě během těchto operací. . Požadovaná nebo specifická velikost částic titanové houby závisí na konečném produktu, který má být vyroben. Hrubozrnné druhy (až 2,5 cm) titanové houby lze použít k výrobě komerčně čistého titanu (CP titan) a většiny standardních druhů titanových slitin. Ve vysoce výkonných oblastech, jako jsou lopatky leteckých motorů, je vyžadována menší velikost částic (maximálně 1 cm) titanové houby, což je založeno především na zvážení defektů stability mezery při aplikaci materiálů jakosti lopatky. Velikost částic takového houbovitého titanu je taková, jak je znázorněno na obrázku 3.4.
Pokud jde o proces výroby jiných titanových kovů, výzkumy byly prováděny již mnoho let a většina výzkumů se věnuje snížení výrobních nákladů na titanovou houbu, ale jsou obecně neúspěšné. Elektrolytická (také nazývaná electrowinning) výroba titanu je atraktivním příkladem a Dow-Howmet úspěšně vybudoval pilotní demonstrační závod ve Spojených státech v letech 1975 až 1985 [3.3 ]. Vzhledem k tehdejšímu poklesu trhu s titanem velkosériová výroba nemohla být provedena. Proto lze říci, že ve skutečnosti nebyl realizován systém, který by byl dostatečně spolehlivý, aby provedl rozsáhlou elektrolytickou redukci, a problémem, který je třeba ověřit, je utěsnit velkou elektrolytickou redukci. Schopnost článku udržovat čisté provozní prostředí a dlouhodobou stabilitu elektrody.
Navíc nedávné snahy o výrobu vysoce čistého titanu pomocí elektrorafinace byly velmi úspěšné jak technicky, tak ekonomicky. Elektrolytická rafinace nejprve rozpustí nečistý titan v elektrolytu a poté jej znovu uloží jako vysoce čistý titan. Pečlivým řízením podmínek nanášení a čistoty elektrolytu lze získat vysoce čistý produkt a tento vysoce čistý kov lze přeměnit na rozprašovací terč pro výrobu elektronických zařízení. Ekonomická proveditelnost elektrolytické rafinace titanu spočívá v tom, že uživatelé, kteří používají materiály z vysoce čistého titanu, používají relativně malé množství tohoto produktu s vysokou přidanou hodnotou, což je z ekonomického hlediska zcela odlišné od aplikace konstrukčních materiálů.
V současné době se hloubkově studuje nový proces přípravy houbovitého titanu, který se nazývá Electro-Deoxidation (EDO)TM. Proces EDO využívá roztavenou lázeň CaCl2 a grafitovou elektrodu k oddělení kyslíku od iontů obsahujících oxid titanu pomocí elektrolýzy, čímž se zhutněná nebo slinutá katoda TiO2 převede na titan a po reakci se na původní katodě vysráží porézní kovový titan. . V zásadě platí, že pokud je obsah kyslíku v požadovaném legujícím prvku smíchán s katodovým kyslíkem a elektrolyticky redukován pomocí TiO2, pak tento proces má také schopnost připravit předlegovanou titanovou houbu, ale účinek dosažený tímto procesem je velmi omezený a možnost velkovýroby je ještě třeba analyzovat a zdůvodnit, přesto je tento proces vzrušující z několika důvodů. Za prvé dokáže připravit předlegovanou titanovou houbu, která vynechá kroky přípravy titanové houby, míchání legovacích prvků, mechanické zhutňování atd., což vše slouží k přípravě počátečních tavicích elektrod pro tavení kovových ingotů, což značně snížit výrobní náklady; Zadruhé, proces má schopnost přidávat legující prvky (jako W, Cu atd.) k titanu, což je obtížné praktikovat u tradičních kovových ingotů, o čemž bude řeč později. Nový proces otevírá možnost současného výběru více legujících prvků, což dříve nebylo možné vzhledem k omezením tavení předpokládat. Technická proveditelnost procesu EDO byla potvrzena, ale mnoho detailů po zvětšení, od reprodukovatelnosti po výrobní náklady, stále vyžaduje hloubkový výzkum a analýzu. Ačkoli není jasné, zda bude proces EDO v budoucnu komerčně dostupný, je zde zmíněn kvůli jeho revolučním změnám.
Pro více informací nás kontaktujte. Děkuji
Nicole
Společnost: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Země: Čína
Přidat: silnice Baoti, Jintai, město Baoji, Shaanxi, Čína
Cel: plus 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Webové stránky: www.jm-titanium.com
